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Verfahren zum Betreiben eines Reaktors Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors mit Spalt- und Brutmaterial zum Erzielen
einer langen Laufzeit. Es besteht erfindungsgemäß darin, daß die sich selbst erhaltende
Kettenreaktion jeweils nur in einem Teil des Reaktorkernes vorgenommen und während
der Laufzeit in andere Teile oder Zonen des Kerns fortlaufend oder unterbrochen
verschoben wird. Dadurch brennen alle Spalt- oder Brutstoff enthaltenden Teile des
Reaktorkernes nacheinander aus. Die Steuerung und Verlagerung der Spaltzone erfolgt
dabei durch die räumliche Verteilung des Brenn- bzw. Brutstoffes im Kern oder durch
zusätzliche Regelorgane. Auf diese Weise kann die Laufzeit eines Reaktors praktisch
beliebig verlängert werden, ohne daß der verbrauchte, starke radioaktive Kernbrennstoff
aus dem Reaktorkern entfernt werden muß.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es möglich, daß im
Reaktorkern zu Beginn der Laufzeit nur der für die erste Betriebszeit erforderliche
Kernbrennstoff eingebracht wird und dem Kern während der Laufzeit zusätzlicher Brennstoff,
gegebenenfalls anderer Zusammensetzung oder anderen Materials, Brutstoff oder Moderator
zugesetzt wird.
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Der Reaktorkern zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist so ausgebildet, daß der Spalt-und/oder der Brutstoff unterschiedlich in ihrer
Lage oder Dichte im Kern gelagert sind, so daß beispielsweise die Kettenreaktion
und damit die Energieerzeugung zunächst in einem Reaktorteil mit hohem Anfangsgehalt
an Spaltstoff erfolgt.
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Bei den bisher bekannten Energiereaktoren, die mit festen Brennstoffen
arbeiten, muß in Abständen von etwa einem oder mehreren Jahren der im Reaktor befindliche
Kernbrennstoff erneuert werden. Die Einrichtung für diesen Brennstoffwechsel erfordern
im allgemeinen einen erheblichen Bauaufwand und stellen darüber hinaus große Anforderungen
an das Bedienungspersonal. Gewisse Gefahrenmomente und Risiken lassen sich dabei
meist nicht ganz vermeiden. Der Brennstoffwechsel ist bei den bisher bekannten Reaktoren
erforderlich, weil durch- die Verminderung des Kernbrennstoffes im Kern während
der Laufzeit und der gleichzeitigen Zunahme von neutronenabsorbierenden Spaltprodukten.-
im Kern die Kettenreaktion nach einer bestimmten Laufzeit nicht mehr aufrechterhalten
werden kann. Auch mit Reaktor-Sonderkonstruktionen, bei denen z. B. das gesamte
Brennstoffgitter und damit die Reaktorkerngröße durch einen entsprechend ausgebildeten
Mechanismus während des Betriebes verändert werden kann oder bei denen ein gasförmiges
moderierendes Kühlmittel verwendet wird, so daß die Moderatormenge durch Verändern
der Dichte des Kühlmittels während des Betriebes verändert werden kann, oder schließlich
mit Konstruktionen, die zu Beginn der Laufzeit eine,.hohe überschußreaktivität in
Verbindung mit zusätzlich eingesetzten, während der Laufzeit langsam verbrennenden
Neutronenabsorbern enthalten oder die. zusätzlichen Brutstoffe, beispielsweise Thorium,
verwenden, aus dem während des Betriebes neuer Brennstoff entsteht, wird keine entscheidende
Verbesserung der Verhältnisse erreicht, da die Spaltprodukte in jedem Falle im Reaktorkern
verbleiben und den Kern vergiften.
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Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird, wie bereits ausgeführt,
gemäß der Erfindung die sich selbst erhaltende Kettenreaktion jeweils nur in einem
Teil des Reaktorkernes voxgenommen und diese Zone entsprechend der langsam zunehmenden
Vergiftung nacheinander in andere Teile des Reaktorkernes, die noch nicht mit Spaltprodukten
vergiftet sind, fortlaufend oder unterbrochen verschoben. Die Führung des Reaktorkühlmittels
kann dabei eventuell ebenfalls verändert und nachgestellt werden. Selbstverständlich
ist dabei der Reaktorkern im Prinzip größer als bisher üblich auszuführen.
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Für die praktische Durchführbarkeit des Verfahrens bestehen verschiedene
Möglichkeiten.
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So kann beispielsweise bei einem gasgekühlten Reaktor der Reaktorkern
aus einem festen, aus einzelnen Teilen bestehenden Moderatorblock aus .Graphit öder
Beryllium bestehen, der mit Durchtritten für das Kühlgas versehen ist, in dein:
sich der für die gesamte Laufzeit des Reaktorkernes erforderliche Brennstoff und
Brutstoff in ungleichförmiger Verteilung befindet.
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Bei Verwendung von zusätzlichen Regel- bzw. Ausgleichsstäben kann
der Spalt- und Brutstoff auch in gleichmäßiger Verteilung in den Kern, in dem, wie
erwähnt, der Aüsbrand nür"zonenweise fortschreitend
erfolgt, eingebracht
werden. Enthalten die Regelstäbe dabei beispielsweise zusätzlichen Kernbrennstoff,
dann kann der Kern selbst unterkritisch gehalten werden, was gewisse sicherheitstechnische
Vorteile, insbesondere auch beim Aufbau des Kernes, bietet. Während des Betriebes
werden dann die den zusätzlichen Kernbrennstoff enthaltenden Kontrollstäbe in den
Kern eingeführt, und durch ihre Lage wird dann die Lage der Spaltzone bestimmt.
_ Das Verfahren gemäß der Erfindung kann selbstverständlich auch verwirklicht werden,
ohne daß in dem neuen Reaktorkern der für die gesamte Laufzeit erforderliche Brenn-
und Brutstoff eingesetzt wird, sondern der erforderliche Brenn- und Brutstoff und
gegebenenfalls auch der Moderator während der Betriebszeit jeweils in der Menge
ergänzt und dem Kern zugesetzt wird, wie es für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion
erforderlich ist. Die hierfür erforderlichen Beschickungswerkzeuge sind verhältnismäßig
einfach, da damit nur neuer Brennstoff bzw. Stoffe, die nicht radioaktiv sind, gehandhabt
werden. Der verbrauchte Kernbrennstoff bleibt auch hier im Reaktorkern. Die Regel-
und Ausgleichsstäbe können Neutronenabsorber, Spaltstoff, Brutstoff oder auch Moderatorsubstanz
enthalten. Mit ihnen können die Energieerzeugung, der Ausbrand und die Verlagerung
der Spaltzone zusätzlich gesteuert werden.
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Die Zeichnung stellt den Gegenstand der Erfindung beispielsweise und
vereinfacht dar. Es zeigt Abb.1 einen zylindrischen Moderatorblock mit axial durchlaufenden
Kühlkanälen, Abb. 2 die Verteilung des Spaltstoffes und des Brutstoffes im neuen
Reaktor gemäß der Darstellung in Abb. 1, Abb. 3 einen Reaktor mit lotrechtem Kern
und im Laufe des Betriebes einbringbarem Spalt-, Brut- oder Moderatorstoff und Abb.
4 einen Reaktor mit verkürzter Kühlkanalführang.
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Der in Abb. 1 dargestellte Reaktor ist von einem Druckbehälter 1 umgeben,
in dem das Kühlmittel durch den Stutzen 2 ein- und den Stutzen 3 austritt. Das Kühlmittel
tritt durch im Moderatorblock 4 ange-,ordnete Kühlgaskanäle 5 und führt dabei die
im Moderatorblock durch den eingelagerten Brennstoff und Brutstoff entstandene Wärme
ab. Die Regel- und Ausgleichsstäbe 6 dienen zur Einstellung der Leistung des Reaktors.
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Die Konzentration des Spalt- und Brutstoffes im Moderator 4 des in
Abb. 1 gezeigten Reaktors ist in Abb. 2 dargestellt. Die Konzentration K1 des Spaltstoffes
erfolgt etwa gemäß der Darstellung der Kiirve 7 und die Konzentration K2 des Brutstoffes
gemäß der Kurve 8; bezogen auf den neuen Reaktor. Der genaue Kurvenverlauf ist für
jeden Einzelfall genau zu ermitteln. Die Kettenreaktion würde bei dem neu aufgebauten
Reaktorkern im Bereich hoher Spaltstoffkonzentration, also etwa innerhalb des Teiles
9, einsetzen und sich während des Betriebes langsam, entsprechend dein im benachbarten
Brutstoff erzeugten neuen Spaltstoff und der sich langsam aufbauenden Vergiftung,
in Richtung der Zone 10 verschieben. Kurz vor dem Ende der Betriebszeit würde der
Arbeitsbereich des Reaktors im Teil 11 liegen, wobei alle übrigen Teile ,des
Reaktorblockes bereits ausgebrannt und vergiftet wären. Die Regelung des Reaktors
erfolgt in bekannter Weise durch die Regel- und Ausgleichsstäbe 6. Es ist bereits
darauf hingewiesen worden, daß, bei entsprechender Verwendung derartiger Stäbe,
der Spalt- und Brutstoff auch in gleichmäßiger Verteilung in den. Kern eingebracht
werden kann und die Regelung von Zone zu Zone dann durch entsprechendes Zurückziehen
der Stäbe erfolgt. Es ist ebenfalls möglich, zusätzlichen Brennstoff in den Regelstäben
anzuordnen.
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Bei dem in Abb. 3 gezeigten Reaktor mit lotrecht angeordnetem Kern
kann der Betriebsstoff und gegebenenfalls auch der Moderator während der Betriebszeit
eingesetzt werden. Er wird von oben mit Hilfe der Vorrichtung 12 auf den bereits
arbeitenden Reaktorkern 4 aufgebracht. Die Vorrichtung kann verhältnismäßig einfach
gestaltet sein, weil nur neue Stoffe zu handhaben sind, die noch nicht vergiftet
sind. Dadurch wird die Reaktivität des Gesamtkernes erhöht und, da sich im unteren.
Teil des Reaktorkernes 4 bereits Spaltprodukte gebildet haben und der Spaltstoff
dort bereits stark verbraucht ist, verlagert sich die Spaltzone nach oben in Richtung
des Pfeiles 13 etwa in eine Zone, wie sie in Abb. 2 als Zone 10 dargestellt ist.
Wenn der axiale Flußverlauf etwa der Kurvendarstellung 14 im linken Teil dieser
Abbildung entsprach, so wird er nach Aufbringen zusätzlichen Betriebsstoffes in
der Zone 15 etwa- einen Verlauf haben, wie er in der Kurve 16 dargestellt ist.
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Auf diese Weise ist praktisch eine beliebige Verlängerung der Laufzeit
des Reaktors möglich. Wie der Reaktorkern dabei im einzelnen aufgebaut ist, ist
für das Prinzip unwichtig. Er kann beispielsweise im einfachsten Fall als lose Schüttung
einzelner Moderatorteile, die den Brenn- und Brutstoff enthalten, ausgeführt werden,
oder es können Blöcke verwendet werden, die mit der Beschickungsvorrichtung 12 auf
den bereits arbeitenden Kern aufgeschüttet werden. Auch ist es möglich, bereits
beim Bau der Reaktoranlagen den Möderatorblock in ganzer Größe vorzusehen und während
des Betriebes lediglich Brenn- und Brutstoff nachzufüllen. Ebenso kann aber auch
der Brutstoff bereits beim Bau der Reaktoranlage eingebracht werden.
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Besondere Beachtung muß bei Reaktorkernen gemäß der vorliegenden Erfindung
der Führung des Kühlmittels gewidmet werden. Bei der Ausführung nach Abb. 1 und
3 durchströmt das Kühlmittel verhältnismäßig lange Kühlkanäle im Kern und erleidet
dadurch einen verhältnismäßig großen Druckabfall. Diese Nachteile werden bei einer
Anordnung, wie sie in Abb. 4 dargestellt ist, vermieden. Durch Verschieben der Gasleithülsen
17 wird hier der Kühlgasstrom jeweils auf die langsam durch den Kern wandernde Spaltzone
abgestimmt. Die Anfangszustände sind mit 18, die Endzustände mit 19 bezeichnet.
Zur Steuerung des Kühlgases kann an Stelle der Gasleithülse 17 selbstverständlich
auch jede andere Armatur verwendet werden. Auch die Spaltzone kann gemäß der Erfindung
während des Betriebes in jeder anderen Richtung durch den Kern verschoben werden,
beispielsweise radial.